(57)【要約】  ハードバイアス層の発熱や短絡がなく、抵抗値と外部磁界の強さとの間の直線関係（線形性）に優れた磁気センサ及びそれを備えた磁気平衡式電流センサを提供すること。本発明の磁気センサ（３１）は、特定の方向に感度軸を持つストライプ形状を有し、外部磁界に対して磁化変動するフリー磁性層、非磁性層、磁化が固定された固定磁性層の積層構造を有する磁気抵抗効果素子（３１１）と、前記ストライプ形状の長手方向において前記磁気抵抗効果素子の外側に前記磁気抵抗効果素子と離間して配置されたハードバイアス層（３１３）と、を具備することを特徴とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定の方向に感度軸を持つストライプ形状を有し、外部磁界に対して磁化変動するフリー磁性層、非磁性層、磁化が固定された固定磁性層の積層構造を有する磁気抵抗効果素子と、前記ストライプ形状の長手方向において前記磁気抵抗効果素子の外側に前記磁気抵抗効果素子と離間して配置されたハードバイアス層と、を具備することを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
前記磁気抵抗効果素子の長手方向における長さが６０μｍ〜３８０μｍであることを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記磁気抵抗効果素子の幅方向における長さが２μｍ〜９μｍであることを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
【請求項４】
前記ハードバイアス層と前記磁気抵抗効果素子との間の距離が３μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
【請求項５】
前記ハードバイアス層の厚さが４０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
【請求項６】
前記磁気抵抗効果素子が、スピンバルブ型ＧＭＲ素子又はスピンバルブ型ＴＭＲ素子であることを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
【請求項７】
被測定電流からの誘導磁界により特性が変化する請求項１記載の磁気センサと、前記磁気センサの近傍に配置され、前記誘導磁界を相殺するキャンセル磁界を発生するフィードバックコイルと、を具備することを特徴とする磁気平衡式電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子）を用いた磁気センサ及びそれを備えた磁気平衡式電流センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気センサに使用される磁気検知素子として、磁気抵抗効果素子、例えば、ＧＭＲ素子が用いられている。ＧＭＲ素子は、反強磁性層、固定磁性層、非磁性材料層及びフリー磁性層を基本的な膜構成としている。固定磁性層は反強磁性層と接触形成されており、反強磁性層との間で生じる交換結合磁界（Ｈｅｘ）により磁化方向が一方向に固定されている。また、フリー磁性層は、固定磁性層と非磁性材料層（非磁性層）を介して積層される。フリー磁性層の磁化は固定されず外部磁界に対して磁化変動する。そしてフリー磁性層の磁化方向と固定磁性層の磁化方向との関係で電気抵抗値が変動する。このような磁気センサにおいて、磁気抵抗効果素子の抵抗値と外部磁界の強さとの間の直線関係（線形性）を高めるために、磁気抵抗効果素子の外側にハードバイアス層を設けてなる磁気センサがある（特許文献１）。【０００３】
特許文献１に開示されている磁気センサは、複数の帯状の磁気抵抗効果素子の長手方向が互いに平行になるように配置し、隣接する２つの帯状の磁気抵抗効果素子の端部上にハードバイアス層を設けてなる構成を有する。この磁気センサにおいては、ハードバイアス層が電極を兼ねており、隣接する２つの帯状の磁気抵抗効果素子の端部上に乗り上げるようにして形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１８３６１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された磁気センサにおいては、ハードバイアス層が電極を兼ねているために、ハードバイアス層に電流が流れてしまう。このため、ハードバイアス層が発熱して保磁力が低下してしまうという問題がある。また、この磁気センサにおいては、ハードバイアス層が狭ピッチの磁気抵抗効果素子上に乗り上げて形成しているために、隣接するハードバイアス層同士が接触して、短絡してしまう可能性がある。【０００６】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、ハードバイアス層の発熱や短絡がなく、抵抗値と外部磁界の強さとの間の直線関係（線形性）に優れた磁気センサ及びそれを備えた磁気平衡式電流センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の磁気センサは、特定の方向に感度軸を持つストライプ形状を有し、外部磁界に対して磁化変動するフリー磁性層、非磁性層、磁化が固定された固定磁性層の積層構造を有する磁気抵抗効果素子と、前記ストライプ形状の長手方向において前記磁気抵抗効果素子の外側に前記磁気抵抗効果素子と離間して配置されたハードバイアス層と、を具備することを特徴とする。【０００８】
この構成によれば、磁気抵抗効果素子の固定磁性層の磁化を固定するハードバイアス層が、ストライプ形状の長手方向において磁気抵抗効果素子の外側に磁気抵抗効果素子と離間して配置されているので、ハードバイアス層の発熱や短絡を防止することができる。【０００９】
本発明の磁気センサにおいては、前記磁気抵抗効果素子の長手方向における長さが６０μｍ〜３８０μｍであることが好ましい。【００１０】
本発明の磁気センサにおいては、前記磁気抵抗効果素子の幅方向における長さが２μｍ〜９μｍであることが好ましい。【００１１】
本発明の磁気センサにおいては、前記ハードバイアス層と前記磁気抵抗効果素子との間の距離が３μｍ以下であることが好ましい。【００１２】
本発明の磁気センサにおいては、前記ハードバイアス層の厚さが４０ｎｍ以上であることが好ましい。【００１３】
本発明の磁気センサにおいては、前記磁気抵抗効果素子が、スピンバルブ型ＧＭＲ素子又はスピンバルブ型ＴＭＲ素子であることが好ましい。【００１４】
本発明の磁気平衡式電流センサは、被測定電流からの誘導磁界により特性が変化する上記磁気センサと、前記磁気センサの近傍に配置され、前記誘導磁界を相殺するキャンセル磁界を発生するフィードバックコイルと、を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の磁気センサは、特定の方向に感度軸を持つストライプ形状を有し、外部磁界に対して磁化変動するフリー磁性層、非磁性層、磁化が固定された固定磁性層の積層構造を有する磁気抵抗効果素子と、前記ストライプ形状の長手方向において前記磁気抵抗効果素子の外側に前記磁気抵抗効果素子と離間して配置されたハードバイアス層と、を具備するので、ハードバイアス層の発熱や短絡を防止し、抵抗値と外部磁界の強さとの間の直線関係（線形性）を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態に係る磁気センサを備えた磁気平衡式電流センサを示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る磁気センサを備えた磁気平衡式電流センサを示す図である。
【図３】（ａ）は、本発明の実施の形態に係る磁気センサを示す図であり、（ｂ）は、（ａ）の拡大図である。
【図４】磁気抵抗効果素子のストライプ長さと感度との間の関係を示す図である。
【図５】レマネンスを説明するための図である。
【図６】磁気抵抗効果素子のストライプ長さとレマネンスとの間の関係を示す図である。
【図７】磁気抵抗効果素子のストライプ幅とレマネンスとの間の関係を示す図である。
【図８】ハードバイアスオフセットを説明するための図である。
【図９】ハードバイアスオフセットとレマネンスとの間の関係を示す図である。
【図１０】ハードバイアス膜厚とレマネンスとの間の関係を示す図である。
【図１１】レマネンスの温度特性を示す図である。
【図１２】（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気センサの他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。なお、本明細書においては、本発明に係る磁気センサを磁気平衡式電流センサに適用した場合について説明するが、本発明に係る磁気センサはこれに限定されず、他の装置に適用することができる。
【００１８】
図１及び図２は、本発明の実施の形態に係る磁気センサを備えた磁気平衡式電流センサを示す図である。本実施の形態においては、図１及び図２に示す磁気平衡式電流センサは、被測定電流Ｉが流れる導体１１の近傍に配設される。この磁気平衡式電流センサは、導体１１に流れる被測定電流Ｉによる誘導磁界を打ち消す磁界（キャンセル磁界）を生じさせるフィードバック回路１２を備えている。このフィードバック回路１２は、被測定電流Ｉによって発生する磁界を打ち消す方向に巻回されたフィードバックコイル１２１と、磁気検出素子である２つの磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｂと、２つの固定抵抗素子１２３ａ，１２３ｂとを有する。
【００１９】
フィードバックコイル１２１は平面コイルで構成されている。この構成においては、磁気コアを有しないので、低コストでフィードバックコイルを作製することができる。また、トロイダルコイルの場合に比べて、フィードバックコイルから生じるキャンセル磁界が広範囲に拡がることを防止でき、周辺回路に影響を与えることを回避できる。さらに、トロイダルコイルの場合に比べて、被測定電流が交流の場合に、フィードバックコイルによるキャンセル磁界の制御が容易であり、制御のために流す電流もそれほど大きくならない。これらの効果については、被測定電流が交流で高周波になるほど大きくなる。フィードバックコイル１２１は平面コイルで構成する場合において、平面コイルの形成面と平行な面内で誘導磁界とキャンセル磁界の両方が生じるように平面コイルが設けられていることが好ましい。
【００２０】
磁気抵抗効果素子１２２は、被測定電流Ｉからの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する。２つの磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｂは、２つの固定抵抗素子１２３ａ，１２３ｂと共に磁界検出ブリッジ回路を構成している。このように磁気抵抗効果素子を有する磁界検出ブリッジ回路を用いることにより、高感度の磁気平衡式電流センサを実現することができる。
【００２１】
この磁界検出ブリッジ回路は、被測定電流Ｉにより生じた誘導磁界に応じた電圧差を生じる２つの出力を備える。図２に示す磁界検出ブリッジ回路においては、磁気抵抗効果素子１２２ｂと固定抵抗素子１２３ａとの間の接続点に電源Ｖｄｄが接続されており、磁気抵抗効果素子１２２ａと固定抵抗素子１２３ｂとの間の接続点にグランド（ＧＮＤ）が接続されている。さらに、この磁界検出ブリッジ回路においては、磁気抵抗効果素子１２２ａと固定抵抗素子１２３ａとの間の接続点から一つの出力を取り出し、磁気抵抗効果素子１２２ｂと固定抵抗素子１２３ｂとの間の接続点からもう一つの出力を取り出している。これらの２つの出力は増幅器１２４で増幅され、フィードバックコイル１２１に電流（フィードバック電流）として与えられる。このフィードバック電流は、誘導磁界に応じた電圧差に対応する。このとき、フィードバックコイル１２１には、誘導磁界を相殺するキャンセル磁界が発生する。そして、誘導磁界とキャンセル磁界とが相殺される平衡状態となったときのフィードバックコイル１２１に流れる電流に基づいて検出部（検出抵抗Ｒ）で被測定電流を測定する。
【００２２】
図３（ａ）は、本発明の実施の形態に係る磁気センサを示す図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）の拡大図である。図３（ａ）に示すように、磁気センサ３１は、ストライプ形状を有する磁気抵抗効果素子３１１を有する。この磁気抵抗効果素子３１１は、その長手方向が互いに平行になるように配置された複数の帯状の長尺パターンを有する。このそれぞれの長尺パターンの両端においては、図３（ｂ）に示すように、長尺パターンの長手方向に対して直交する方向で隣接する２つの長尺パターンが非磁性層３１２により接続されている。非磁性層３１２は、両端部で異なる長尺パターンを接続するように形成されている。すなわち、図３（ａ）に示すように、上から一番目の長尺パターンと二番目の長尺パターンは、紙面向かって右側の端部（一方の端部）で非磁性層３１２により接続されており、上から二番目の長尺パターンと三番目の長尺パターンは、紙面向かって左側の端部（他方の端部）で非磁性層３１２により接続されている。そして、左右の端部で交互に隣接する２つの長尺パターンが非磁性層３１２で接続される。非磁性層３１２の材料としては、低抵抗であるＣｕ，Ａｕ，Ａｌなどを挙げることができる。
【００２３】
このようにして、磁気抵抗効果素子３１１は、ストライプ形状を有する。このストライプ形状において、感度軸方向は、図２に示すＰｉｎ方向（磁気抵抗効果素子の長手方向に対して直交する方向：磁気抵抗効果素子の幅方向）である。ここで、磁気抵抗効果素子３１１のストライプ長さ（長手方向の長さ）Ｌは、図３（ａ）に示すように、長尺パターンのうち非磁性層３１２の領域を除く範囲の長さをいう。これは、磁気抵抗効果素子３１１上に非磁性層３１２が形成されている領域は磁気抵抗効果に寄与しないためである。
【００２４】
磁気抵抗効果素子３１１としては、ＴＭＲ素子（トンネル型磁気抵抗効果素子）、ＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）などを用いることができる。例えば、ＧＭＲ素子として、反強磁性層、固定磁性層、非磁性層、フリー磁性層を有する多層膜で構成されるスピンバルブ型ＧＭＲ素子やスピンバルブ型ＴＭＲ素子を用いることができる。フリー磁性層は、外部磁界に対して磁化変動する磁性層であり、固定磁性層は、磁化が固定された磁性層である。固定磁性層は、反強磁性層により磁化が固定される。ハードバイアス層３１３は、上記ストライプ形状の長手方向において磁気抵抗効果素子３１１の外側に配置されている。また、ハードバイアス層３１３は、磁気抵抗効果素子３１１の端部から離間して配置されている。図３に示す構成においては、ハードバイアス層３１３は、磁気抵抗効果素子３１１の長尺パターンの端部を接続する非磁性層３１２と同じ幅（紙面において縦方向（幅方向）（感度軸方向）の長さ）で複数設けられている。なお、図３（ａ）において、参照符号３１４は、磁気センサ３１と接続する配線を示す。また、ハードバイアス層３１３の材料としては、ＣｏＰｔ，ＣｏＣｒＰｔなどを挙げることができる。
【００２５】
ここで、上記構成を有する磁気センサにおいて、磁気抵抗効果素子３１１のストライプ長さと感度との間の関係について調べた。その結果を図４に示す。この場合、長尺パターンのストライプ幅を５μｍで固定し、ストライプ長さＬを変えた場合の感度を調べた。また、ハードバイアス層３１３を設けない構成の磁気抵抗効果素子３１１のストライプ長さと感度との間の関係についても調べた。その結果を図４に併記する。なお、感度は、外部磁界に対する磁気抵抗効果素子の抵抗値の変化を測定し、±１０Ｏｅの範囲における勾配の値とした。
【００２６】
図４から分かるように、ハードバイアス層３１３がある場合において、磁気抵抗効果素子３１１のストライプ長さＬが短いと、ハードバイアス効果により感度が低下する。ストライプ長さＬが６０μｍで、ハードバイアス層３１３が無い場合と同じ感度となる。ハードバイアス層３１３がある場合においては、感度が良い方が望ましいので、この観点から磁気抵抗効果素子３１１のストライプ長さＬは６０μｍ以上であることが望ましい。
【００２７】
次に、磁気抵抗効果素子３１１のストライプ長さとレマネンスとの間の関係について調べた。その結果を図６に示す。この場合、長尺パターンのストライプ幅を５μｍで固定し、ストライプ長さＬを変えた場合のレマネンスを調べた。また、ハードバイアス層３１３を設けない構成の磁気抵抗効果素子３１１のストライプ長さとレマネンスとの間の関係についても調べた。その結果を図６に併記する。レマネンスとは、図５に示すように、磁気抵抗効果素子３１１の抵抗値差（ΔＲ）に対する、プラス磁場から０磁場に戻したときの抵抗値（Ｒ０（＋））からマイナス磁場から０磁場に戻したときの抵抗値（Ｒ０（−））を差し引いた値の割合で表わされる。このレマネンスが小さい方が、ヒステリシスが小さく好ましい。なお、レマネンスは、外部磁界に対する磁気抵抗効果素子の抵抗値の変化を測定することにより算出した。
【００２８】
図６から分かるように、ハードバイアス層３１３がある場合において、磁気抵抗効果素子３１１のストライプ長さＬが短いと、ハードバイアス層３１３が磁気抵抗効果素子３１１に強く作用するためにレマネンスは小さい。磁気抵抗効果素子３１１のストライプ長さＬが５０μｍ以上でほぼ飽和する。ストライプ長さＬが３８０μｍ以下でレマネンスが低減する効果が得られる。ハードバイアス層３１３がある場合においては、レマネンスが小さい方が望ましいので、この観点から磁気抵抗効果素子３１１のストライプ長さＬは３８０μｍ以下であることが望ましい。
【００２９】
このように、磁気抵抗効果素子３１１のストライプ長さ（長手方向における長さ）Ｌは、感度及びレマネンス（ヒステリシス）を考慮すると、６０μｍ〜３８０μｍ、特に６０μｍ〜１８０μｍであることが好ましい。
【００３０】
次に、磁気抵抗効果素子３１１のストライプ幅（長尺パターンの幅方向における長さ）とレマネンスとの間の関係について調べた。その結果を図７に示す。この場合、長尺パターンのストライプ長さＬを２００μｍで固定し、ストライプ幅を変えた場合のレマネンスを調べた。なお、レマネンスは上記と同様にして測定した。
【００３１】
図７から分かるように、レマネンスは、ストライプ幅９μｍ以下で小さくなり、２μｍで飽和している。レマネンスは小さい方が望ましいので、この観点から磁気抵抗効果素子３１１のストライプ幅は２μｍ〜９μｍ、特に２μｍ〜５μｍであることが好ましい。
【００３２】
次に、ハードバイアス層３１３と磁気抵抗効果素子３１１との間の距離（ハードバイアスオフセット量）とレマネンスとの間の関係について調べた。その結果を図９に示す。ハードバイアスオフセット量とは、図８に示すように、磁気抵抗効果素子３１１の最も端の部分からハードバイアス層３１３までの距離をいう。なお、レマネンスは上記と同様にして測定した。
【００３３】
図９から分かるように、レマネンスは、ハードバイアスオフセット量に依存せず、ハードバイアスオフセット量が３μｍ以下で小さい値で一定になっている。レマネンスは小さい方が望ましいので、この観点からハードバイアスオフセット量は３μｍ以下であることが好ましい。
【００３４】
次に、ハードバイアス層３１３の厚さとレマネンスとの間の関係について調べた。その結果を図１０に示す。この場合、長尺パターンのストライプ長さＬを１３０μｍ、ストライプ幅を５μｍで固定し、ハードバイアス層３１３の厚さを変えた場合のレマネンスを調べた。なお、レマネンスは上記と同様にして測定した。
【００３５】
図１０から分かるように、ハードバイアス層が４０ｎｍ以上でレマネンスが小さくなっており、それ以上の厚さで低減効果が飽和している。レマネンスは小さい方が望ましいので、この観点からハードバイアス層の厚さは、４０ｎｍ以上であることが好ましい。
【００３６】
上記構成を有する磁気センサは、磁気抵抗効果素子のストライプ形状の長手方向において磁気抵抗効果素子の外側に磁気抵抗効果素子と離間してハードバイアス層を配置しているので、ハードバイアス層の発熱や短絡を防止することができる。また、本発明に係る磁気センサは、ハードバイアス層を備えているので温度特性に優れている。
【００３７】
ここで、２５℃、８５℃で評価したレマネンスをハードバイアス層の有無で比較した結果を図１１に示す。図１１では、２４チップ分をプロットしている。図１１から分かるように、ハードバイアス層が有る場合はレマネンスのばらつきが小さく、ハードバイアス層が無い場合はレマネンスのばらつきが非常に大きい。また、ハードバイアス層が無い場合は、高温側でレマネンスの平均値が大きくなるのに対して、ハードバイアス層が有る場合は、高温側でのレマネンスの平均値は小さくなっている。このような結果から、ハードバイアス層を設けることは、温度特性の観点からも有利である。
【００３８】
このような構成を有する磁気平衡式電流センサにおいては、被測定電流Ｉから発生した誘導磁界を磁気抵抗効果素子で受け、その誘導磁界をフィードバックしてフィードバックコイルからキャンセル磁界を発生し、２つの磁界（誘導磁界、キャンセル磁界）を相殺して磁気抵抗効果素子に印加する磁場が零になるように適宜調整する。
【００３９】
磁気抵抗効果素子３１１の外側に配置するハードバイアス層３１３については、図３に限定されず、ストライプ形状の長手方向において磁気抵抗効果素子３１１の外側に配置されていれば良く、形状、サイズには制限はない。例えば、図１２（ａ）に示すように、磁気抵抗効果素子３１１の一つの長尺パターンの幅（ストライプ幅）と同じ幅で、長尺パターン毎に配置しても良く、図１２（ｂ）に示すように、磁気抵抗効果素子３１１が存在する領域にわたって配置しても良い。ただし、ハードバイアス層３１１は、長尺パターンの長手方向に均一に磁束が印加できるように、ストライプ幅方向（図面の紙面縦方向（感度軸方向）のサイズは、ストライプ幅以上であることが好ましい。
【００４０】
本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することができる。例えば、上記実施の形態における材料、各素子の接続関係、厚さ、大きさ、製法などは適宜変更して実施することが可能である。その他、本発明は、本発明の範囲を逸脱しないで適宜変更して実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の磁気センサは、電気自動車のモータ駆動用の電流の大きさを検出する電流センサなどに適用することが可能である。【００４２】
本出願は、２０１０年３月１１日出願の特願２０１０−０５４７２５に基づく。この内容は、全てここに含めておく。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成23年6月24日(2011.6.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定の方向に感度軸を持つストライプ形状を有し、外部磁界に対して磁化変動するフリー磁性層、非磁性層、磁化が固定された固定磁性層の積層構造を有する磁気抵抗効果素子と、前記ストライプ形状の長手方向において前記磁気抵抗効果素子の外側に前記磁気抵抗効果素子と離間して配置されたハードバイアス層と、を具備し、前記磁気抵抗効果素子の長手方向における長さが６０μｍ〜３８０μｍであることを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
前記磁気抵抗効果素子の幅方向における長さが２μｍ〜９μｍであることを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
【請求項４】
前記ハードバイアス層と前記磁気抵抗効果素子との間の距離が３μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
【請求項５】
前記ハードバイアス層の厚さが４０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
【請求項６】
前記磁気抵抗効果素子が、スピンバルブ型ＧＭＲ素子又はスピンバルブ型ＴＭＲ素子であることを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
【請求項７】
被測定電流からの誘導磁界により特性が変化する請求項１記載の磁気センサと、前記磁気センサの近傍に配置され、前記誘導磁界を相殺するキャンセル磁界を発生するフィードバックコイルと、を具備することを特徴とする磁気平衡式電流センサ。
【国際調査報告】
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2011111457.tif 000016
2011111457.tif 000017
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